馬 越，楊紅霞

(延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西延安716000)

空間鋼結(jié)構(gòu)是一類對(duì)太陽(yáng)輻射較敏感的結(jié)構(gòu)形式[1]，直接暴露在太陽(yáng)輻射場(chǎng)下會(huì)使其產(chǎn)生較大的溫度變形和溫度應(yīng)力，太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的影響在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段也逐漸受到關(guān)注。筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)作為一種典型的空間薄殼結(jié)構(gòu)，一般建造于較為空曠的港口、工業(yè)廠區(qū)等城市近郊地區(qū)，這使得太陽(yáng)輻射不會(huì)受到其他建筑的遮擋。加之筒倉(cāng)的薄壁殼體結(jié)構(gòu)外露，而儲(chǔ)料位于筒倉(cāng)內(nèi)部，所以筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)是一種受太陽(yáng)輻射影響較大的結(jié)構(gòu)形式。劉紅波等[2]研究了鋼板筒倉(cāng)在太陽(yáng)輻射下陰影區(qū)的計(jì)算方法，分析了筒倉(cāng)在加頂蓋和不加頂蓋工況下太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的最不利非均勻溫度場(chǎng)。對(duì)設(shè)計(jì)中考慮太陽(yáng)輻射提供了建議。馬越等[3-5]分析了不同參數(shù)對(duì)太陽(yáng)輻射作用下筒倉(cāng)非均勻溫度場(chǎng)的影響。Manbeck等[6]實(shí)測(cè)了鋼筒倉(cāng)在輻射下的溫度場(chǎng)，結(jié)果表明太陽(yáng)輻射在一天內(nèi)引發(fā)的非均勻溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響顯著。

本文先應(yīng)用ANSYS APDL語(yǔ)言編制殼體結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)輻射作用下溫度場(chǎng)的分析程序，分析太陽(yáng)輻射作用下筒倉(cāng)的溫度場(chǎng)分布。然后將不同太陽(yáng)輻射下殼體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)作為邊界條件，建立熱-結(jié)構(gòu)耦合數(shù)值模型，分析筒倉(cāng)的應(yīng)力場(chǎng)。最后通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)的分析結(jié)果，對(duì)鋼筒倉(cāng)倉(cāng)壁的薄殼結(jié)構(gòu)與頂部桁架連接部位及與混凝土基礎(chǔ)連接部位在設(shè)計(jì)中考慮太陽(yáng)輻射的影響提出建議。

1 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析模型

1.1 鋼筒倉(cāng)數(shù)值模型

本文以某存儲(chǔ)氧化鋁粉末的鋼筒倉(cāng)為研究對(duì)象。該筒倉(cāng)高度H=29 m，筒倉(cāng)的直徑D=28 m。筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。筒倉(cāng)的薄壁殼體結(jié)構(gòu)采用變壁厚的鋼板焊接而成，壁厚沿筒倉(cāng)高度方向的分布如表1所示。筒倉(cāng)的頂部為大型桁架結(jié)構(gòu)，筒倉(cāng)上部由于壁厚較薄，設(shè)置周向角鋼加勁肋和豎向鋼板加勁肋。應(yīng)用ANSYS平臺(tái)建立有限元數(shù)值模型，筒倉(cāng)的殼體結(jié)構(gòu)采用SHELL181單元，加勁肋采用BEAM188單元；桁架弦桿采用BEAM188單元，腹桿采用LINK8單元。為了簡(jiǎn)化分析，殼體與混凝土基礎(chǔ)連接采用約束殼體下部所有節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)和位移自由度。殼體上部與桁架連接處將其與桁架的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合。筒倉(cāng)的儲(chǔ)料荷載計(jì)算按《鋼筒倉(cāng)技術(shù)規(guī)范》[7]確定。筒倉(cāng)的數(shù)值模型如圖2所示。

表1 筒倉(cāng)倉(cāng)壁厚度沿筒倉(cāng)高度分布表

1.2 太陽(yáng)輻射模型

本文應(yīng)用ANSYS APDL語(yǔ)言建立太陽(yáng)輻射作用下的分析程序，太陽(yáng)輻射模型采用美國(guó)供暖，通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)工程協(xié)會(huì)推薦的晴空模型[8](ASHRAE模型)，但其中參數(shù)采用我國(guó)學(xué)者修正后的參數(shù)[9]。ASHRAE模型計(jì)算入射到結(jié)構(gòu)表面并被吸收的太陽(yáng)輻射熱流密度由公式(1)確定。由于該筒倉(cāng)實(shí)際工程位于蘭州市，所以本文所有算例模型的地理參數(shù)和氣溫參數(shù)均采用蘭州市的數(shù)值。

Gt=αs(GD+Gd+GR)

(1)

其中GD為直射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；Gd為水平面上的散射輻射強(qiáng)度；GR為表面太陽(yáng)反射輻射強(qiáng)度。

2 輻射作用下鋼筒倉(cāng)溫度場(chǎng)分析

對(duì)筒倉(cāng)在空倉(cāng)工況和滿倉(cāng)工況下進(jìn)行太陽(yáng)輻射作用下溫度場(chǎng)分析。圖3-圖6為筒倉(cāng)殼體溫度場(chǎng)的分布圖。在夏至日給出了16時(shí)的殼體溫度云圖，此時(shí)殼體的溫度最高；在冬至日最高溫度出現(xiàn)在14時(shí)。從殼體的溫度云圖可以看出，隨著殼體壁厚變薄，溫度隨之增大。所以在太陽(yáng)輻射下，殼體最高溫度出現(xiàn)在筒倉(cāng)的頂部。殼體頂部周向溫度展開(kāi)圖可以看出，在太陽(yáng)輻射作用下，最大的周向溫度差將超過(guò)30°C，對(duì)殼體結(jié)構(gòu)而言，非均勻的溫度分布可能對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更不利的影響。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可近似取30°C周向溫差計(jì)算太陽(yáng)輻射溫度場(chǎng)。

3 鋼筒倉(cāng)應(yīng)力分析

圖7和圖8為太陽(yáng)輻射作用下筒倉(cāng)殼體的應(yīng)力分布圖。從應(yīng)力沿高度的分布圖可以看出，沒(méi)有儲(chǔ)料荷載作用時(shí)，筒倉(cāng)在輻射作用下僅在筒倉(cāng)殼體的底部和頂部有溫度應(yīng)力分布，呈顯著的圓柱殼邊界效應(yīng)。這是由于溫度應(yīng)力形成的原因，即倉(cāng)頂桁架和基礎(chǔ)約束殼體溫度變形所造成的。表2還給出了殼體底部在各種工況下最大應(yīng)力的比較。在滿倉(cāng)工況下，夏季的豎向應(yīng)力約為不考慮太陽(yáng)輻射時(shí)的4倍。所以這種因太陽(yáng)輻射引起的溫度應(yīng)力值得在設(shè)計(jì)中予以重視。從殼體底部的周向應(yīng)力分布圖即可看出太陽(yáng)輻射作用造成的溫度應(yīng)力非均勻分布。在冬季周向溫度應(yīng)力會(huì)從壓應(yīng)力變化為拉應(yīng)力；豎向應(yīng)力和周向應(yīng)力的變化均超過(guò)50 MPa。而對(duì)比夏至日和冬至日，可以看出太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的非均勻溫度場(chǎng)在冬季比夏季有更顯著的影響。

表2 倉(cāng)底最大應(yīng)力比較

4 結(jié)論

本文建立分析太陽(yáng)輻射在鋼筒倉(cāng)上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)響應(yīng)的耦合模型，即先分析筒倉(cāng)薄壁殼體結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)輻射作用下產(chǎn)生的溫度場(chǎng)；然后將分析所得殼體溫度場(chǎng)作為邊界條件，應(yīng)用于殼體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)分析中，得出太陽(yáng)輻射在鋼筒倉(cāng)上所產(chǎn)生的熱響應(yīng)。

空倉(cāng)和滿倉(cāng)工況下，太陽(yáng)輻射作用均會(huì)在殼體上產(chǎn)生非均勻分布的溫度場(chǎng)。在夏季和冬季空倉(cāng)時(shí)，周向的溫差將超過(guò)30°C；而由于筒倉(cāng)內(nèi)部散料的影響，在夏季最大的周向溫差將小于20°C，在冬季最大的周向溫差小于30°C，即冬季太陽(yáng)輻射的影響比夏季更顯著。

太陽(yáng)輻射作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)力主要集中于筒倉(cāng)的頂部和底部，即筒倉(cāng)殼體結(jié)構(gòu)與倉(cāng)頂桁架和混凝土基礎(chǔ)連接部分，非均勻分布的周向溫度場(chǎng)導(dǎo)致溫度應(yīng)力沿周向也呈顯著的非均勻性。與溫度場(chǎng)相似，太陽(yáng)輻射對(duì)應(yīng)力的影響在冬季更明顯。殼體底部的溫度應(yīng)力會(huì)從拉應(yīng)力變化為壓應(yīng)力，這種應(yīng)力變化在設(shè)計(jì)中應(yīng)給予重視。